Page 101 - 《摩擦学学报》2021年第4期

544 摩 擦 学 学 报 第 41 卷

密封是透平机械的重要组成部件，影响机组安全 提出新型阻尼密封结构，提高加工效率对于设计者而
和高效运行 [1-5] . 降低流体泄漏与增强系统稳定性是衡 言尤为重要，也引起了众学者对既可以提升阻尼又能
量密封性能的两个重要指标 [6-7] . 随着机组参数的不断 降低加工成本、提高加工效率的新型密封结构的研究.
提高，密封气流激振诱发的系统失稳问题日益突出 [8-9] . Takahashi等 [21-22] 首次提出扇贝阻尼密封结构，其
因此，对如何提升密封性能，并有效抑制由气流激振 优点在于可直接在光滑静子表面铣出扇贝槽，应用双

引起不稳定振动的研究愈发重要. 控制体模型并通过带有电磁激励器的高压压缩机分
传统迷宫密封广泛应用于各类透平机械，然而， 别对新型密封结构进行转子系统稳定性试验研究，指
其转子动力特性较差，易导致转子系统失稳 [10-11] . 谢春 出该密封结构可显著提高系统阻尼，有效提升系统稳
[23]
[12]
良等 针对迷宫密封动力特性开展理论与试验研究， 定性. Griebel 根据扇贝阻尼密封概念，研究密封腔
指出密封腔中的周向速度是产生交叉刚度的主因. 目 切口及挡板布置方式对袋型阻尼密封泄漏与动力特
前，提高系统稳定性的方法主要有“反旋流”及“阻尼 性的影响，指出倒圆角型(扇贝型)挡板是降低袋型阻
密封技术”. 反旋流技术主要是向密封腔内注入与转 尼密封件制造成本的有效途径. 然而，国内外关于腔
子旋转方向相反的气流，以此衰减流体的切向速度， 室错开角度与密封腔深度对交错式扇贝阻尼密封动
但不恰当的反旋流易导致转子失稳 [13-14] . 阻尼密封概 力特性的影响研究较为罕见，密封动力特性沿轴向分
[15]
念由Von Pragenau 首先提出，其特征在于：光滑转子 布规律尚不清晰.
面加粗糙静子面. 粗糙的静子面使得密封相较于传统 本文作者应用计算流体力学方法建立交错式扇
迷宫密封具有更大阻尼的同时，可以有效阻碍流体的 贝阻尼密封全三维数值模型，采用动网格技术，并基
于多频椭圆涡动模型研究密封动力特性沿轴向分布
周向流动，使得密封交叉刚度降低，系统稳定性提升.
[16]
[17]
[18]
类似于袋型 、蜂窝 、孔型 等阻尼密封相继被提 规律，计算分析腔室错开角度与密封腔深度对密封动
[19]
出，并被学者进行深度研究与设计. Shultz 通过试验 力特性与泄漏性能的影响.

测量了袋型阻尼密封(2齿、4袋型腔室)的动力特性，发
1 数值计算方法
现袋型阻尼密封的主阻尼约为迷宫密封的15倍. Childs
[9]
等 通过试验方法对蜂窝密封的动力特性及泄漏特性 1.1 计算模型
进行研究，并将试验数据分别与迷宫密封(高低齿迷 图1为扇贝阻尼密封二维几何结构. 密封沿泄漏
宫、光滑面迷宫)进行对比，发现蜂窝密封不仅可以提 方向共有9个密封腔室(C1~C9)，每个密封腔室沿周向
供更高的阻尼，同时泄漏量也得到有效降低. 孙丹等 [20] 共平均布置8个扇贝型腔室结构，即，周向相邻扇贝腔
研究了锥形度和涡动频率对孔型阻尼密封动力特性 室分布角度θ=45°，密封齿均选用直齿型，密封段总长
的影响，结果表明：在相同涡动频率下，刚度系数随锥 为l=35.7 mm，可采用直径为d =26 mm铣刀加工.
1
形度的增大而增加，阻尼系数随锥形度的增大而减 图2为奇偶密封腔室分布情况，错开角度α是指相
小，且发散间隙孔型阻尼密封的有效阻尼较大. 但袋 邻两密封腔室沿转子转动方向旋转错开的角度大小，
型密封的挡板需要单独焊接，加工复杂，蜂窝及孔型 本文中C1、C3、C5、C7、C9腔室固定不变，将C2、C4、
密封则存在造价昂贵、不易加工与安装等问题. 因此， C6、C8腔室沿转子转动方向旋转角度α(α=0°、11.25°、

l

w 1 w 2 Stator
Inlet Outlet Y
C1 C2 C3 C4 C5 C6 C7 C8 C9 d 1 θ
h
Cr
X
d Rotor surface Rotor
Y
Z
X h
Central axis
(a) Meridian plane view (b) Axial view

Fig. 1 Two-dimensional geometry model of the scallop damper seal
图 1 扇贝阻尼密封二维几何模型